風能有它的優勢,但也有它不足的地方。風能資源受地形的影響較大,世界風能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶,如美國的加利福尼亞州沿岸和北歐一些國家,中國的東南沿海、內蒙古、新疆和甘肅一帶風能資源也很豐富。其次,風單位體積攜載的能量小,對采集風能來進行轉換的設備技術要求高,花錢也比較多,這些正是我們利用風能需要去努力克服的因素。
地球的翅膀——風車
當我們對風能及其分布有了一定的了解後,下一步,我們就要利用裝置把風能轉換成可儲存的能量或者轉換成可直接為我們所用的能量。風車就是這樣誕生的。風車也稱風力機,是將風能轉化為機械能並作為動力替代人力和畜力,或者帶動發電機發電的裝置。
風車大多修建在沿海島嶼、平原牧區、山區等多風地帶。當風吹來時,槳葉上產生的氣動力驅動風輪轉動,再通過傳動裝置帶動機械運動,人們可利用風車來抽水灌溉、排水、碾米磨麵、粉碎飼料、加工木材等。風能密度大的地方還可以建立大型風場,直接用於發電。
風車按照結構形式和空間布置,可分為水平軸風車和垂直軸風車。以水平軸式風車為例,風車一般由風輪、機頭、機尾、回轉體、塔架組成。根據風輪葉片的數目,風車分為少葉式和多葉式兩種。少葉式有2~4個葉片,從正麵看成垂直十字形,這類風車具有轉速高、結構緊湊的特點,缺點是啟動較為困難;多葉式一般有5~24個葉片,風輪呈車輪狀,常用於年均風速較低的地區,這類風車容易啟動,利用率較高,但因轉速低,多用於直接驅動農牧業機械。
風力機的風輪與紙風車的轉動原理大致一樣,當風沿著順風的葉片經過時,則葉片的弧形麵的空氣流動速度比葉片的平直麵的空氣流動速度快,根據物理上的伯努利原理,流速大的壓強小,流速小的壓強大的結論,則在葉片的兩麵就產生了壓強差,這樣就提供了一個動力,使得葉片開始轉動。伯努利原理在生活中的應用是很多的。比如飛機上升靠空氣對機翼的伯努利作用,離火車軌道較近的人會因為飛馳而過的火車而被吸進軌道,所以在站台要保持與軌道的距離。你可以馬上拿兩張紙平行放置,對準中間吹口氣,看看紙會怎麼動呢?
從風力機原理我們還可以看出隻有當風垂直地吹向風輪轉動麵時,才能得到最大的能量,由於風向多變,因此還要有一種裝置,使之在風向變化時,保證風輪跟著轉動,自動對準風向,這就是風力機機尾的作用。
雖然風能利用受到當地風能資源的限製,但設計合理,結構優良的風力機直接決定了風能的轉換效率。有人經討論分析得出,3葉片的風力機無論從轉換效率和審美都是最佳的,的確,這也是我們見得最多的。風力機的大量運用還在與發電機結合實現風力發電上,故風力機的優化與風力發電事業的發展密不可分。
無處不在的風——風能的其他利用
風力提水
為解決農村、牧場的生活、灌溉和牲畜用水以解放勞力、節約能源,出現了風力提水。風力提水就是由風車提供動力帶動水泵來提水,並把水用於草原、牧區,為人畜提供飲水或是用於農田灌溉、水產養殖等。風力提水機在我國用途廣闊,如“黃淮河平原的鹽堿改造工程”就可大規模采用風力提水機來改良土壤。
風帆助航
機動船舶發展的今天,為節約燃油和提高航速,古老的風帆助航也得到了發展。航運大國日本在萬噸級貨船上采用電腦控製的風帆助航,節油率達15%。
風力致熱
“風力致熱”是將風能轉換成熱能。最簡單的方法就是風力機帶動攪拌器轉動攪拌液體致熱,還可以風力機帶動液壓泵,使液體加壓後再從狹小的阻尼小孔中高速噴出而使工作液體加熱;此外還有固體摩擦致熱和渦電流致熱等方法。隨著人類對熱能的需求,風車致熱也得到了發展。
當然,風能還有很多的用途,隻要我們了解了風能,掌握了轉換技術,就不擔心風從我們手中溜走。
六、氫能
氫在我們的化學書上是一種元素,用“H”來表示,氫也可以是一種物質,氣態的氫就是氫氣(H2),小時候把氣球裏麵裝滿氫氣,氣球就可以飄到天上去,因為氫氣很輕。把氣態的氫加壓,就會液化成液態氫,當然如果條件夠的話,也可以變成固態的。不過,在我們生活的自然界裏,它是氣態的。那麼這種氫怎麼就成了能源呢?
上了化學課我們就會知道,氫有這樣的特點:可以燃燒,而且與氧氣燃燒後主要生成物是水,且燃燒後產生的熱量很高。實驗表明每千克氫燃燒後的熱量,約為汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。看看之前我們介紹的新能源,以及現在的3大能源,無論是煤、石油、天然氣還是生物質等都采用了燃燒作為主要的方式來實現能源轉換,那麼氫這麼好的燃燒特性,當然是我們關注的對象了。